Network Coding

Temas selecionados em telecomunicaesPractical Wireless Network CodingCOPE

2Semestre 2014/2015Jos Rafael N31293MIEEC1Sumrio IntroduoNetwork coding e COPE

COPE FuncionamentoOpportunistic ListeningOpportunistic CodingLearning Neighbor StatesDecises chave para implementaoPseudo-broadcast

Concluso

2IntroduoNetwork CodingUma tcnica para melhorar o rendimento e eficincia de uma rede- Primeira proposta pelo Ahlswede et al (2000)Conceito- Os ns simplesmente no retransmitem os pacotes que recebem- Em vez disso, os ns combinam vrios pacotes para enviar uma nica transmissoCOPE- XORs in The Air: Practical Wireless Network CodingS. Katti, D. Katabi, H. Rahul, W. Hu, M. Medard and J. Crowcroft (2006)- Coding Opportunistically- Primeira arquitetura de sistema para codificao de redes sem fio- Props um projeto que torna a implementao prtica do network coding sem fios vivel

R. Ahlswede, N. Cai, S. R. Li, and R. W. Yeung. Network Information Flow. In IEEE Transactions on Information Theory, 2000.

3COPEIdeia PrincipalAproveitar as oportunidades em redes sem fioAproveitar o broadcast dos canais sem fios em vez de abstrai-lo como ponto a ponto inserida a camada de codificao entre as camadas IP e MAC

IPCOPEMAC4COPE uma nova arquitetura de encaminhamento que melhora substancialmente a taxa de transferncia de uma rede sem fios.

COPE insere uma camada de codificao entre as camadas de IP e MAC que identifica oportunidades de codificao e seus benefcios em encaminhar mltiplos pacotes numa s transmisso. 4 Cenrio de troca de informao

Bob

AliceRelayPacote AlicePacote BobPacote BobPacote AliceUnicast Multi-Hop necessita de 4 transmissesPode ser melhorado?

5Para uma melhor compreenso de como o COPE funciona volto a apresentar o exemplo simples de troca de informao presente na apresentao anterior.

Poupana de largura de banda logo podemos aumentar a taxa de transferncia.

5Usando Network Coding

Bob

AliceRelayPacote AlicePacote BobPacote BobPacote Alice 3 transmisses em vez de 4 Economiza largura de banda e energia 33% taxa de transfernciaXOR=

6COPECOPE permite wireless network coding com o uso de:- Opportunistic Listening- Opportunistic Coding- Learning Neighbors StatesIPCOPEMAC7COPE aproveita o funcionamento da rede sem fios que de forma gratuita transmite cada pacote numa pequena vizinhana em torno do seu caminho7Opportunistic ListeningEscuta o trfego nos ns sem fio.

Guarda os pacotes monitorados por um intervalo de tempo T.

Cada n envia em broadcast mensagens de recepo

8As redes sem fios como forma de broadcast cria muitas oportunidades para os ns ouvirem os pacotes quando equipados com antenas omnidirecionais.

O COPE define os ns no modo promiscuo fazendo com que estes espiem toda a comunicao na rede e guardem os pacotes ouvidos por um perodo de tempo

Alm disso cada n transmite relatrios de recepo para que os seus vizinhos saibam que pacotes esto armazenados 8Opportunistic Listening

Katti S, Rahul H, Hu WJ, Katabi D, Muriel M, Crowcroft J. XORs in the air: Practical wireless networking. 9Opportunistic CodingDeteta oportunidades de codificaoCodifica somente pacotes na fila de sada do n

Os ns seguem regras de codificao simples:Maximizar o nmero de pacotes nativos entregues numa nica transmisso

Certificar que cada hop destinado tem informao suficiente para decodificar

Tem o objetivo de maximizar os benefcios da codificao

10Quais pacotes se devem codificar para maximizar a largura de banda?

O n deve maximizar o numero de pacotes nativos entregues numa nica transmisso enquanto assegura que cada hop seguinte tem informao suficiente para descodificar o pacote nativo.10Opportunistic Coding R. Koetter,M.Medard, An algebraic approach to network coding, IEEE/ACM Trans. on Networking, Nov.2003P1P2P3P4P3P4P1P4P1P3=P1P2+P2ABCDM deciso de codificao,A e D no conseguem descodificarP1AP2CP3CP4DLista de sada BPacotes em CPacotes em DPacotes em A11.N B tem 4 pacotes na sua lista de saida. Os seus vizinhos ouviram alguns destes pacotes11Opportunistic CodingP1P2P3P4P3P4P1P4P1P3=P1P3+P3P1ABCDLista de sada BPacotes em CPacotes em DPacotes em ABoa deciso de codificao,A e C conseguem descodificarR. Koetter,M.Medard, An algebraic approach to network coding, IEEE/ACM Trans. on Networking, Nov.20031212Opportunistic CodingP1P2P3P4P3P4P1P4P1P3=P1P3+P3P1P4+P4ABCDFila de sada BPacotes em CPacotes em DPacotes em AA Melhor deciso de codificao,A, C e D conseguem descodificarR. Koetter,M.Medard, An algebraic approach to network coding, IEEE/ACM Trans. on Networking, Nov.20031313Learning Neighbor StatesOs ns precisam de uma viso global precisa, ou seja, saber que pacotes os vizinhos tm.Relatrios de receoOs relatrios podem ser perdidos ou atrasadosUsa informaes do protocolo link-state routing para estimar a probabilidade de entrega de linksDecide se codifica ou no com base num limite configurvel

ImplicaesSe os ns fizerem decises erradas no que toca a codificaoPode acabar perdendo largura de banda

14Como que um n sabe que pacotes tem o seu vizinho?

Cada n anuncia aos seus vizinhos que pacotes guarda via atraves de relatorios de recepo.

No entanto quando existe muita congestao na rede, os relatorios de entrega podem ser perdidos em colises.

Mesmo nao havendo congesto estes podem chegar com atraso tendo o n feito a sua decisao de codificao.

Assim o n tem que adivinhar de forma inteligente se o vizinho tem o pacote ou no.

Para adivinhar tirado partido dos protocolos de encaminhamento. Estes calculam a probabilidade entre cada par de ns e usa para identificar bons caminhos. Assim o COPE estima a probabilidade de um dado vizinho ter o pacote como a probabilidade de entrega do link entre o vizinho e o ultimo hop do pacote.

14Decises chave para implementaoNunca atrasar pacote de modo a codificarTentar fazer o XOR dos pacotes com semelhante tamanho para maximizar a largura de bandaNunca codificar pacote juntos que se dirigem para o mesmo hopPseudo-Broadcast802.11 broadcast carece de fiabilidadeBroadcast no permite backoff, reduzindo o dbito devido ao excesso de colises.

15Se no existirem oportunidades de codificao, os ns nao esperam que chegue um pacote compatvel para codificar.

Efetuar o XOR de pacotes de tamanhos semelhantes para maximizar a largura de banda. Caso no sejam iguais os pacotes menores so preenchidos com zeros. Quando recebidos so removidos os zeros com a verificao do tamanho do pacote nativo no cabealho IP.

O 802.11 MAC tem dois modos: Unicast e Broadcast. Como o COPE transmite pacotes codificados para os prximos hops seria natural usar Broadcast. No entanto tal no possvel porque tem baixa fiabilidade e carece de backoff

No 802.11 UNICAST os pacotes so imediatamente acknkoleged pelo seu prximo hop. Assegura a fiabilidade retransmitindo o pacote na layer MAC um x numero de vezes ate um ack synk recebido. O no receber interpretado como coliso, o remetente reage backing off deixando mltiplos ns partilhar a rede. No entanto no Broadcast um pacote tem vrios destinos e no claro que deve enviar um ack. Sem os acks o modo broadcast no oferece retransmisso . Uma fonte broadcast no consegue detectar colises.

15Soluo: pseudo-broadcastPacotes codificados so enviados em modo unicast;O endereo MAC de destino definido para um dos destinatrios;Insere o cabealho COPE na sequncia de cabealhos da camada lgica.Todos os Ns operam em modo promscuo e podem receber o pacote enviado;Se o endereo MAC do pacote recebido no bate com o do n que o recebeu, esse verifica o cabealho COPE;Se o n for um dos destinatrios, o pacote processado. Caso contrrio o pacote armazenado.

16A soluo usar pseudo-broadcast que faz piggybacking no 802.11 UNICAST e beneficia da sua fiabilidade e mecanismo de backoff.

Usa unicast em pacotes que esto preparados para broadcast. O campo de destino da link layer preenchido com o endereo MAC de um dos destinatrios.

adicionado um cabealhos XOR listando os prximos hops do pacote. Como todos os ns esto em modo promiscuo, conseguem ouvir pacotes no destinados a eles.

Quando um n recebe um pacote com um endereo MAC diferente do seu, verifica o cabealho XOR para ver se o prximo hop. Se for o pacote processado, se no for, o pacote guardado num buffer como oportunisticamente recebido. Todos os pacotes so enviados por Unicast, a camada MAC detecta colises e procede ao backoff corretamente.16Ganhos Usando COPE

S. Katti, D. Katabi, W. Hu, and R. Hariharan, The importance of being opportunistic: Practical network coding for wireless environments17Ganhos usando COPE

Katti S, Rahul H, Hu WJ, Katabi D, Muriel M, Crowcroft J. XORs in the air: Practical wireless networking. 18Obrigado!Questes?19